高温冷却作用后泥岩盖层渗透率演变试验

罗吉安; 戈宇; 丁可; 任博

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503643

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (12) :5189-5196 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503643

建筑科学

高温冷却作用后泥岩盖层渗透率演变试验

罗吉安 ¹^,² ,
戈宇 ¹^,² ,
丁可 ³^,^* ,
任博 ¹^,²

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Experiment on Evolution of Permeability in Mudstone Caprock after High Temperature Cooling Treatment

LUO Ji-an ¹^,² ,
GE Yu ¹^,² ,
DING Ke ³^,^* ,
REN Bo ¹^,²

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摘要

为探索煤炭地下气化(underground coal gasification,UCG)过程中高温对于泥岩盖层密闭性的影响,以鄂尔多斯盆地太原组-山西组煤层顶板泥岩盖层为研究对象,开展了温度-应力耦合作用下的泥岩气体渗流行为试验研究。试验分析了温度(20、200、400、600 ℃)对泥岩盖层物理性质及渗透行为的影响,构建温度-应力耦合作用与泥岩气体渗透率之间的数学模型。结果表明:引起泥岩渗透行为变化的临界温度为400 ℃,与400 ℃前相比,400 ℃后泥岩的质量损失率、伸长率、热膨胀系数和气体渗透率等性质随温度升高而增大的趋势更为明显,泥岩内部细观结构破坏更为严重,临界温度后泥岩盖层的气体密闭性能将大幅降低,影响煤炭地下气化腔体气体的采集。研究结果揭示了温度-应力耦合作用对泥岩气体渗透率的重要影响,可为煤炭地下气化过程中盖层密封性评价、气体泄漏风险预测以及高温扰动下围岩稳定性控制提供重要的理论基础和参数支持,对推动中国UCG工程化应用具有现实指导意义。

Abstract

To investigate the influence of high temperature on the sealing performance of mudstone caprock during underground coal gasification (UCG), experimental studies were conducted on the gas seepage behavior of mudstone under temperature-stress coupling conditions. The mudstone caprock from the Taiyuan Formation-Shanxi Formation coal seam roof in the Ordos Basin was used as the research object. The effects of temperature (20, 200, 400, and 600 ℃) on the physical properties and seepage behavior of the mudstone caprock were analyzed, and a mathematical model was established to describe the relationship between temperature-stress coupling and mudstone gas permeability. The results indicate that a critical temperature of 400 ℃ causes a significant change in the permeability behavior of mudstone. Compared with the condition below 400 ℃, the mass loss rate, elongation, thermal expansion coefficient, and gas permeability of the mudstone increase more markedly with rising temperature, and its mesostructure is more severely damaged. Beyond this critical temperature, the gas-sealing performance of the mudstone caprock is greatly reduced, which adversely affects the gas collection efficiency of the underground coal gasification chamber. The findings reveal the significance of temperature-stress coupling effects on the gas permeability of mudstone, which can provide an important theoretical foundation and parametric support for evaluating the sealing capacity of caprocks, predicting gas leakage risks, and controlling the stability of surrounding rocks under high-temperature disturbances during underground coal gasification (UCG). This holds practical implications for advancing the engineering application of UCG in China.

Graphical abstract

关键词

泥岩盖层 / 渗透率演化 / 煤炭地下气化(UCG) / 热流固耦合

Key words

mudstone caprock / permeability evolution / underground coal gasification(UCG) / thermal-fluid-solid coupling

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罗吉安, 戈宇, 丁可, 任博. 高温冷却作用后泥岩盖层渗透率演变试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(12): 5189-5196 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503643

LUO Ji-an, GE Yu, DING Ke, REN Bo. Experiment on Evolution of Permeability in Mudstone Caprock after High Temperature Cooling Treatment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(12): 5189-5196 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503643

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随着人类对地球深部资源勘探开发的不断深入,煤炭地下气化(underground coal gasification, UCG)等领域的蓬勃发展,高温处理后岩石渗透特征演化规律备受关注^[1-4]。盖层作为UCG工程中的重要屏障,其力学与渗透性能直接影响气化过程的稳定性和气体回收效率。若盖层渗透率升高,将导致UCG气体泄漏,不利于资源的高效开发。因此,研究高温高压条件下盖层岩石的力学与渗透行为,对工程安全与资源高效利用具有重要理论意义。相较于高温处理后的岩石实验,高温室内试验更能反映实际地层环境,但由于实验技术条件的限制,针对高温(>500 ℃)条件下岩石三轴压缩及渗透性的实验研究仍较为缺乏,尤其是涉及微观结构与渗透性耦合分析的工作更为少见^[5-8]。为此,诸多学者常采用热处理后的岩石进行替代实验,以降低实验难度与成本。

近年来,中外围绕高温处理后岩石渗透特性已开展了系列研究。张凯等^[9]、张帆等^[10]通过对不同粒径煤岩组合体开展循环加卸载渗透试验,揭示了煤岩在变形破坏过程中渗透率的变化特征,并建立了考虑重复采动与煤岩粒径的应力-渗透率模型。唐巨鹏等^[11]对不同温度处理后的花岗岩进行气体渗透率测试,发现其渗透率随温度升高呈指数增长趋势。阴伟涛等^[12]研究了4种花岗岩在高温作用下渗透率与裂缝演化的关系,系统分析了温度对渗透行为的影响机制。程欢等^[13]对比了自然冷却与遇水冷却花岗岩在不同温度处理后的气体渗透率,发现二者渗透率变化趋势基本一致。

综合已有研究可知,即使对于同类岩石,其在高温下的渗透行为也会因地质条件与应力状态的不同而呈现显著差异^[14-19]。然而,目前针对泥岩盖层在高温与三轴应力共同作用下的渗透率演化研究仍相对不足^[20-24]。为此,以鄂尔多斯盆地太原组-山西组煤层顶板盖层泥岩为研究对象,开展经20、200、400和600 ℃热处理后的三轴加载渗流实验,系统研究高温作用下泥岩盖层的物理与渗透特性。首先,分析热处理后泥岩试样的物理性质,包括质量损失率、伸长率及热膨胀系数等;其次,利用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观测其微观结构演变;进而,基于三轴渗流实验数据,详细揭示不同温度处理后泥岩在全应力-应变过程中渗透率的演化规律。通过上述研究,最终建立温度与应力共同影响下泥岩渗透率的数学表征模型。为深部UCG工程在高温条件下的开采模拟与工程设计提供理论依据。

1 试验概况

1.1 岩样选取

试验所用泥岩样品采自鄂尔多斯盆地太原组-山西组煤层顶板的泥岩盖层。该区域是中国最具代表性的UCG试验区,其盖层封闭性对维持气化腔稳定性和气体收集效率至关重要。鄂尔多斯盆地作为重要能源基地,其太原组-山西组煤层是UCG的潜在目标层位,该层位泥岩盖层具有分布稳定、厚度大的特点,对评估UCG过程中盖层封闭性具有重要的代表性和工程实际意义。

1.2 岩样与试件制备

试验采用的泥岩样品取自鄂尔多斯盆地太原组-山西组煤层顶板,密度为2 125 kg/m³。试件为圆柱体试样,如图1所示。

1.3 试验设备及原理

试样热处理采用MXQ1700型箱式气氛炉,加热温度可达1 700 ℃。渗透介质为CH₄,试验机采用中国矿业大学煤岩力学-渗流试验系统(TAWD-2000),围压和注入压最大工作压力均为70 MPa,轴压最大工作压力为800 MPa,48 h内压力波动0.5%以内。泥岩渗透率测量试验装置如图2所示,对于气体渗流,渗透率计算公式为^[25-26]

(1)K_gas=$\frac{2{P}_{0}{Q}_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s}}{\mu }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s}}L}{A({P}_{1}^{2}-{P}_{2}^{2})}$

式(1)中:K_gas为泥岩气体渗透率,mD;Q_gas为标况下气体的瞬态流量,cm³/s;μ_gas为气体动力黏度,mPa·s;L为试样高度,cm;A为试样渗流截面面积,cm²;P₀为标准大气压,MPa;P₁为注气压力,MPa;P₂为出气压力,MPa。

1.4 试验步骤

试验的围压控制目标为8 MPa,气压控制目标为2 MPa,温度控制目标为常温(20 ℃)、200、400、600 ℃,泥岩轴压先加载至围压目标值(8 MPa),待稳定再加载至10 MPa,后以5 MPa的梯度进行加载。试验具体步骤如下。

(1)热处理。将试样放入气氛炉中用石棉封住口部,再关闭炉门,加热前设置加热速率为10 ℃/min,加热温度依次为常温(20 ℃)、200、400、600 ℃,每个温度梯度设置3个试样,恒温时间为两小时,加热结束后不要打开气氛炉,待其自动降温至约50 ℃取出,如图3所示。

(2)取出后试样进行物理测量,测量后进行密封处理,置于压力室中,然后将压力室放置到试验机的平台上,连接围压线路及气体(或液体)线路。

(3)启动试验机,调整轴向加载速率为0.02 mm/s,加载目标值为8 MPa,待轴压达到目标值后打开围压加载装置,将围压调整至8 MPa。

(4)打开气瓶,通过调压阀控制注气压力恒为2 MPa,打开压力室出口气体卸压阀,待流量计度数稳定后记下瞬态流量值,用于计算试样在该载荷下的泥岩气体渗透率。

(5)随后将轴压加载至10 MPa,再按照轴压5 MPa的加载梯度,提高轴压至下一目标值,重复(4),直至试样破坏。

2 不同温度泥岩物理性质变化分析

2.1 不同温度泥岩宏观物理性质变化

不同温度下泥岩的外观形态如图4所示,常温状态下泥岩整体呈现浅灰色,含炭化植物化石碎屑,表面无明显裂纹,随着加热温度的增加,泥岩试样颜色逐渐加深,裂纹加深,当温度到达400 ℃时,泥岩试样逐渐呈现深灰色,表面开始出现新增裂纹,而当温度到达600 ℃时,泥岩试样完全呈现浅红色,体积膨胀,并形成明显的贯通裂隙。

高温泥岩物理性质随温度变化情况如图5所示,其中质量损失率、伸长率及热膨胀系数由试验测试获得。由图5可知,600 ℃范围内,泥岩质量损失率、伸长率与温度大致呈正比关系,在600 ℃范围内,结合热膨胀系数与温度关系曲线,泥岩内矿物颗粒热膨胀系数不同,加热后矿物颗粒之间变形不协调,当矿物颗粒间产生的热应力超过黏结力,泥岩内部产生大量微裂隙,试样伸长率变大。在加热过程中,泥岩试样内部的附着水、沸石水、结晶水、结构水先后逸出,导致试样质量减小。引起泥岩质量损失率、伸长率、热膨胀系数突增的临界温度约为400 ℃,当温度到达400 ℃后,泥岩的质量损失率、伸长率、热膨胀系数和气体渗透率等性质随温度升高而增大的趋势更为明显。

2.2 不同温度泥岩细观结构变化分析

利用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对不同温度泥岩内部细观结构进行观测分析,如图6所示,其放大倍数为100~6 000倍。

分析图6可知,常温下泥岩致密,样品表面无明显岩屑。200 ℃热处理后样品表面颗粒同样较紧密;400 ℃后,样品表面岩屑开始增多,孔隙增多,有烧蚀的痕迹(矿物颗粒间填充物减少);600 ℃时,样品表面出现明显的裂隙,孔隙进一步增多,烧蚀痕迹更加明显,岩屑数量减少,矿物间填充物基本被烧蚀殆尽,矿物颗粒裸露,高倍图像中样品表面呈沟壑状。

3 高温后泥岩渗透性演变规律

3.1 高温后泥岩气体渗透率演变规律

3.1.1 温度变化条件下泥岩气体渗透率变化规律

在应力初始条件下(轴压8 MPa、围压8 MPa),泥岩气体渗透率随温度演化规律如图7所示,当温度由常温升高到200 ℃时,泥岩气体渗透率由0.018 2 mD降低为0.014 0 mD,降幅为23.1%。当温度由200 ℃继续升高,泥岩气体渗透率迅速增加,当泥岩温度为400、600 ℃时,泥岩气体渗透率分别升高为0.037 4、0.073 9 mD,相较于常温状态下的泥岩,降幅分别为105.5%、306.0%。分析以上渗透率随温度演化的原因,初始条件下,20~200 ℃时由于热膨胀泥岩内部少量较大的孔隙被压密,导致泥岩气体渗透率有所下降;400 ℃后高温导致岩石内部热破坏,裂缝使得气体渗透率迅速增加。

3.1.2 应力变化条件下泥岩气体渗透率变化规律

保持围压8 MPa不变,轴压从8 MPa逐渐增加,在轴压加载条件下,如图8所示。200 ℃热处理后泥岩强度小于30 MPa,400~600 ℃热处理后泥岩强度小于25 MPa。200 ℃热处理后的泥岩试样在轴压为10、20和25 MPa时,其渗透率分别为0.013 7、0.028 6和0.058 0 mD;400 ℃热处理后的泥岩试样在轴压为10、15和20 MPa时,其渗透率分别为0.039 3、0.054 3和0.117 0 mD;600 ℃热处理后的泥岩试样在轴压为10、15和20 MPa时,其渗透率分别为0.065 9、0.074 9和0.172 0 mD。随着轴压的增加,在试样破坏前,在破坏前由于没有产生较大的贯通裂隙,各温度梯度的试样气体渗透率基本不变或略有增加,在岩石快发生破坏时由于较大的贯通裂隙的产生,渗透率剧烈增加。

3.2 温度-应力与泥岩渗透率关系的数学模型构建

根据此次试验结果分析温度-应力变化过程中泥岩气体的渗透率随温度、应力的变化规律,通过对试验数据进行多种数学模型形式拟合,对比得出二元多项式的拟合程度较高。泥岩气体的渗透率与温度、应力的拟合关系式为

(2)K_gas=1.354×10^-1-1.932×10^-2x-1.206×10^-4y+6.799×10^-4x²+1.304×10^-5xy+1.548×10^-7y²

式(2)中:x为轴压,MPa;y为温度,℃。

试验岩样在温度-应力变化过程中,泥岩气体的渗透率与温度、应力的拟合曲面如图9所示。由温度-应力变化条件下泥岩气体渗透率与温度-应力的数学模型可知,泥岩气体的渗透率和轴压、温度之间的关系表现为二次函数关系,数据的拟合程度高,拟合度R²达到了89.2%。试样在不同温度下受热损伤程度和温度、应力密切相关,泥岩试样经历的温度越高、应力越大,其内部结构损伤破坏程度越大,孔、裂隙越发育,渗透率变化越明显。同时,引起泥岩渗透行为变化的临界温度为400 ℃,400 ℃后泥岩的气体渗透率等性质随温度升高而增大的趋势更为明显。利用拟合函数可以预测不同温度-应力变化所引起的渗透率变化,为后续对煤炭地下气化腔围岩气体运移规律及稳定性分析的数值计算提供必要的数据支撑。

4 结论

(1) 温度对泥岩热物理性质有着很大的影响,泥岩质量损失率、伸长率与温度大致呈正比关系,而泥岩试样热膨胀系数随着温度的升高而先降低后升高,引起泥岩质量损失率、伸长率、热膨胀系数突增的临界温度约为400 ℃。同时,温度还会改变泥岩的微观结构,400 ℃后,泥岩表面岩屑开始增多,孔隙增多,有烧蚀的痕迹;600 ℃时,泥岩裂隙、孔隙进一步增多,烧蚀痕迹更加明显。

(2)应力初始条件下,泥岩气体渗透率随温度的升高呈先减小后增大的趋势,200 ℃以内渗透率减小,200 ℃后渗透率开始增大,且在400 ℃时泥岩水渗透率会发生一个跳跃性增大;相同温度下,泥岩气体渗透率随着应力增大多呈先减小后增大趋势。

(3) 分别构建了温度-应力耦合作用下泥岩气体渗透率变化的二次函数型数学模型,拟合度为89.2%。利用拟合函数可以预测不同温度-应力变化所引起的渗透率变化,为后续对煤炭地下气化腔体围岩气体运移规律数值计算和实际工程应用提供必要的数据支撑。

(4)明确了400 ℃是泥岩盖层渗透性能发生劣化的临界温度,揭示了温度-应力耦合作用下泥岩细观结构损伤与宏观渗透率演化的内在联系,为深部高温岩体力学行为研究提供了重要依据。在实际工程应用上,研究成果对UCG具有明确的指导作用:临界温度的确定为UCG腔体的温度控制提供了关键阈值,建议在实际运营中将腔体周边盖层温度控制在400℃以下,以有效维持盖层的密封性,防止气体泄漏。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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